JPH0782919B2 - 電子加速器の励磁方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電子の加速と蓄積の機能を合わせ有した電子加
速器に関するものである。

〔従来の技術〕

高エネルギー物理学の分野においては、素粒子研究にお
ける衝突実験などに供することを目的として、高エネル
ギーに加速された電子を一定のエネルギー状態で長時間
蓄積しておくための電子蓄積リングが開発されてきた。
電子蓄積リングの中を高エネルギー電子が円運動する
と、シンクロトロン放射光（以下「SOR光」と略称す
る）と呼ばれる強力な連続スペクトル光が放射される。
SOR光のスペクトル分布は、真空紫外域から軟Ｘ線領域
にわたっている。従来これらの波長領域では強力な連続
光を得るのが困難とされていたが、SOR光の出現によっ
て、Ｘ線リソグラフィや分光学等の研究が大きく進展し
た。現在では、SOR光を利用することを主目的とした電
子蓄積リングも開発されている。

従来のＸ線リソグラフィにおいては、マスク全面にわた
って垂直にＸ線束を入射させうるＸ線源を実現できず、
半影ぼけによる解像度の低下が重大な問題とされてい
た。このため、強度が従来のＸ線よりも高くしかもきわ
めて指向性にすぐれたSOR光は、超LSIに代表される半導
体デバイスの製造等を適用対象とするＸ線リソグラフィ
の次世代技術として大いに期待されている。

これまで開発されてきたSOR光利用のための電子蓄積リ
ングの大部分は、別に用意された加速器によって目的と
する最終エネルギーまで電子を加速したのち、最終エネ
ルギーの電子を電子蓄積リングに入射する方式をとって
いた。この方式において、加速器は電子蓄積リングに高
エネルギー電子を入射するための入射器として機能する
だけであり、実際の稼働時間は、電子蓄積リングに比較
するときわめて短い。しかも、電子の最終エネルギーが
高くなるほど、そのエネルギーまで電子を加速するため
の加速器は規模が大きくなり、開発コストも必然的に上
昇していく。このように加速機能を分離した電子蓄積リ
ングには、電子を高エネルギーまで加速するための加速
器を必要とし、そのような加速器は利用効率が低く、広
い床面積を占有し、しかも高価であるという欠点を有し
ていた。

これに対して、電子蓄積リング自体にも電子エネルギー
の加速機能を分担させた言わば加速蓄積リングと呼びう
る電子蓄積リングが一部の研究機関で開発されている。
この方式によれば、電子線型加速器等の入射用加速器自
体によって最終エネルギーまで加速する必要がないた
め、入射用加速器の規模をある程度小さく抑え、開発コ
ストの低域を図ることができる。

従来のこの種の電子蓄積リングの一例として、工業技術
院・電子技術総合研究所で開発された電子蓄積リングを
第５図に示す。この電子蓄積リングの詳細は、トミマス
他：アイ・イー・イー・イー トランザクション オン
ニュウクリア サイエンス,NS−30巻，第４号,3133,
（1983）（T.Tomimasu et al.:IEEE Trans.on Nucl.Sc
i.,Vol.NS−30,No.4,3133（1983））に報告されてい
る。第５図において、１は電子線型加速器であり、パル
ス発振させたマイクロ波が生成する電界の作用によって
電子を直線的に加速する機能を有している。電子線型加
速器１によって300MeVのエネルギーまで加速された電子
は、入射用ビームトランスポート２によって電子蓄積リ
ング３への入射位置に導かれる。電子蓄積リング３の入
射位置には、ビームトランスポート２によって導かれて
きた電子をパルス磁界によって電子蓄積リング３の安定
軌道上にのせるためのセプタム電磁石４が設置されてい
る。

電子蓄積リング３においては、入射された高エネルギー
電子を平衡軌道上で周回させるための磁場を発生する偏
光電磁石５と電子ビームに集束作用をもたせるの４極電
磁石６とが、電子軌道に沿って４回対称となるように配
置されている。偏向電磁石５と４極電磁石６は、いずれ
も透磁率の高い材料をコアとし、その周囲に電気伝導度
の高いコイル材料を巻回して必要な磁場分布を生成する
ように構成された常電導磁石である。閉軌道を周回する
電子がシンクロトロン放射によって失うエネルギーは、
高周波加速空洞７が発生する加速電界によって補給す
る。

以上の構成において、電子線型加速器１によって300MeV
のエネルギーまで加速された電子は、電子蓄積リング３
に入射されたあと、偏向電磁石５の磁場をランプ上に上
昇させていくことにより、エネルギーをさらに増大さ
せ、最高630MeVまで加速される。

しかし、この手法においては、電子線型加速器１での加
速量が大きいため、その加速管が極めて長く占有面積も
広くなり、かつ、電子線型加速器１自体が高価なものと
なる。さらに、加速管が長くなることにより、電子と加
速管との間の相互作用に起因する不安定振動が電子ビー
ム内に生じやすくなり、最終的に得られるビーム電流量
が少なくなってしまう。ビーム電流量が少ないと電子蓄
積リングに大電流を蓄積するためのマルチターン入射を
繰り返し行い必要を生じ、これが、電子蓄積時間の増大
ひいてはリソグラフィのスループットの致命的な低下を
招く。また、電子線型加速器１内で加速中に不安定振動
などによる電子散逸に起因する放射線が大量に発生し、
LSI製作に重大な影響を与える危険性があるとともに、
放射線を遮蔽する設備の建設費がきわめて高価になるな
どLSIの製造装置としては不適当なものであった。

さらに電子蓄積リング３についても、偏向電磁石５とし
て常電導磁石を使用しており、磁場の均一性を確保する
ためには磁束密度は1.5T程度が限界となる。周知のごと
く、偏向磁場の磁束密度と磁場中を通過する電子がロー
レンツ力を受けて軌道を曲げられるときの軌道の曲率半
径とは反比例の関係にある。このため偏向電磁石として
常電導磁石を用いた電子蓄積リングは必然的に全体寸法
が大きくなる。第５図に示す電子蓄積リング３は、偏向
磁場の磁束密度が1.05Tでしかも直線部が設けられてい
るため、そのリングの平均半径は約5mにも及んでいる。

第２の従来例として米国ウイスコンシ大学の電子蓄積リ
ングがあげられる。この電子蓄積リングの詳細は、イー
・エム・ロウ他：アイ・イー・イー・イー ランザクシ
ョン オン ニュクリア サイエンス,NS−28巻，第３
号,3145（1981）（E.M.Rowe et al.:IEEE Trans.on Nuc
l.Sci.,Vol.NS−28,No.3,3145（1981））に報告されて
いる。電子蓄積リング自体の構造は第５図と基本的に変
わることはなく、偏向電磁石,4極電磁石等の磁石類はい
ずれも常電導磁石を用いている。第５図の例と異なるの
は、入射用加速器としてのマイクロトロンを用いている
ことである。すなわち、マイクロトロンによって100MeV
まで加速した電子を電子蓄積リングに入射し、しかるの
ちに電子蓄積リングの加速機能によって最高1GeVまで加
速する。マイクロトロンは臀死線合加速器に比較して装
置価格の低いことが長所とされているが、１パルスあた
りに加速しうる電流量が電流線型加速器に比較するとき
わめて小さいという短所がある。したがって大電流を蓄
積するにはマルチターン入射を繰り返し行う必要があ
る。エネルギーが100MeVであるために放射減衰時間は数
秒程度となり、１回のマルチパターン入射に10秒程度を
要し、入射時間が長くなる。また、この方式で採用され
た入射エネルギーは、後述のように、クーロン散乱に起
因する寿命が短い領域に入っており、マルチターン入射
に利用できる時間が制限され、これにより、蓄積電流を
大きくすることは困難であった。

電子蓄積リングをSORリソグラフィ装置として実用化し
ていくためには２つの条件を満たす必要がある。すなわ
ち、条件として、装置の占有面積が小さいこと、条件
として、大電流を蓄積できることである。

まず条件については、従来の電子蓄積リングは加速器
科学の実験用施設として建設されてきており、あえて小
型化を図る必要がなかった。しかしSORリソグラフィ用
などの専用装置として電子蓄積リングをプロセスライン
に導入するためには、小型化はきわめて重要な条件とな
る。また電子蓄積リングの運転中には、入者用加速器や
電子蓄積リング自体からγ線や中性子等の放射線が発生
する。それらの放射線に対する遮蔽対策は、入射用加速
器や電子蓄積リング自体が小型であるほど、容易とな
る。

次に条件については、SOR光の光子数は電子蓄積リン
グに蓄積されている電子の個数すなわち電流量と正比例
の関係にある。光子数はSORリソグラフィのスループッ
トを左右する大きな要因であり、電子蓄積リングにおい
ていかに大電流を蓄積できるかが重要なキーポイントに
なる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、すでに従来例で説明した２つの電子蓄積
リングは、いずれも前記の条件，の条件には合致し
えないため、リソグラフィに適した専用の電子蓄積リン
グの実現が待望されていた。

〔問題点を解決するための手段〕

このような待望に応えるために本発明は、電子加速器へ
の電子の入射においては、タウシェク効果に起因して電
子の寿命を極小とするエネルギーEtよりも低いエネルギ
ーの電子を入射するようにし、偏向作用を持たせる磁場
を形成するための励磁電流の時間変化率を、入射した電
子のエネルギーがEtに達するまでは単調増加させ、Etに
達したのちは単調減少させるようにしたものである。

〔作用〕

本発明においては、電子寿命が極小となるエネルギー近
傍でエネルギー増加率が大きくなり、電子の損失が顕著
に見られる変曲点が励磁電流の最大値以前にくる 〔実施例〕 第１図に本発明に係わる電子加速器の一実施例を示す。
11は電子線型加速器であり、パルス発振させたマイクロ
波が生成する電界の作用によって電子を直線的に加速す
る。電子線型加速器11から出射された電子はビームトラ
ンスポート12を経由して電子蓄積リング13に入射され
る。電子蓄積リング13の入射位置にはインフレクタ14を
配置し、インフレクタ14のパルス磁場によって電子を電
子蓄積リング13の電子軌道にのせる。電子蓄積リング13
は、電子に偏向磁場を与えるための超電導偏向磁石15a,
15b,電子ビームに集束・発散作用を与えるため多極電磁
石16a〜16d,電子軌道を高真空に保持しておくためのビ
ームダクト17,電子がシンクロトロン放射によって失う
エネルギーを補給するための高周波加速空洞18を有す
る。超電導偏向磁石15a,15bおよび多極電磁石16a〜16d
には、入射電子のエネルギーをさらに最終エネルギーま
で加速していくための励磁電源が具備されている。ビー
ムダクト17の中で超電導偏向磁石15a,15bの中に位置す
る部分は、シンクロトロン放射によるSOR光がダクト内
壁に当たって高温に加熱され、内壁表面からの脱ガスが
促進される。これに対処するため、超電導偏向磁石15a,
15bの部分のビームダクト17内には分布型イオンポンプ1
9を配置し、超電導偏向磁石15a,15bからの漏れ磁場を利
用してビームダクト17内の脱ガスを効率よく排気する。

超電導偏向磁石15a,15bの具体的構成を第２図に示す。
この磁石15a,15bは、超電導線材を束ねて「バナナ型」
に成形した超電導空心コイル21a,21bを電子軌道22に挟
んで対称に配置した構成をとっている。この構成におい
て、超電導空心コイル21a,21bに図示の矢印のごとく電
流の流した場合には、図示の矢印の方向にベクトル磁場
Ｂが形成され、磁場中を通過する電子ｅに対して偏向作
用をもたせることができる。なお第２図においては感嘆
のため単に空心コイルのみを記載してあるが、たとえば
磁場分布の均一性を必要とする場合には、高透磁率材に
よって適当にオアを具備させる等の方法が考えられる。

本実施例において、電子線型加速器11から入射する電子
のエネルギーはタウシェク（Touschek）効果を考慮して
設定する。タウシェク効果とは、軌道上を電子が位相振
動しながら塊となって周回していく過程で、塊の中で電
子同士のクーロン散乱により余分なエネルギーを得た電
子が位相振動の不安定領域に入って失われる現象であ
る。ヘンリ・ブルック：サーキュラ パーティクル ア
クセレレータ,LA−TR−72−10レビュー，ロス アラモ
ス サイエンス ラボ（Henri Bruck:Circular Particl
e Accelerators,LA−TR−72−10 Rev.,Los Alamos Sci.
Lab.）によれば、電子の寿命と電子のエネルギーとの間
には第３図に示すような相関が認められる。第３図にお
いて、31は多重衝突を含む場合の相関を示す曲線、32は
多重衝突を含まない場合の相関を示す曲線、33は測定値
を示す小円である。このデータは、ある特定のマシンパ
ラメータについて成立するものであるが、曲線31,32
は、電子同士の散乱に起因した，電子の寿命を極小にす
るエネルギーEtが存在することを意味している。本実施
例においては、電子線型加速器11から入射する電子のエ
ネルギーをエネルギーEtよりも低エネルギー側、たとえ
ば、数MeV〜数十MeVにおく。また電子のエネルギーを加
速する過程において、入射エネルギーからエネルギーEt
前後までのエネルギー上昇率を単調増加にとり、エネル
ギーEt前後以上からの上昇率を単調に減少させていく。
これにより、超電導偏向磁石15a,15bの励磁過程におい
て、電子の寿命が極小となるエネルギーEtの前後におけ
る電子の損失を低く抑え、最終エネルギーにおける大電
流の蓄積が可能となる。

第１図，第２図の構成において、まず電子を電子線型加
速器11によって数MeV〜数十MeVのエネルギーまで上昇さ
せる。入射用加速器として電子線型加速器11を用いる理
由は、パルス発振モードで運転させた場合に、単発で大
電流を加速できる利点があるためである。数MeV〜数十M
eVのエネルギーで電子蓄積リング13へ入射した電子は放
射減衰が合わるまでに数分程度の時間を必要とする。こ
の間は、先に入射した電子が未だブロードに広がった状
態で周回しているため、次のパルス電流を入射しようと
して平衡軌道をわずかにシフトさせると、電子がビーム
ダクトの管壁に衝突して失われてしまう。ところが一方
において、この放射減衰を待つ時間の間に、電子は残留
ガス分子と衝突して落ちこぼれていく現象が起こってい
る。電子のエネルギーが低いほど、電子が残留ガス分子
と衝突する散乱断面積は大きくなる傾向がある。数MeV
〜数十MeV程度の入射エネルギーでは、放射減衰を待っ
た後に次のパルス電流を入射していく方法は電流の蓄積
効率が極めて悪い。SORリソグラフィにおいては、数百m
A〜1Aの電流の蓄積することを目的としており、このた
めには、以上の理由によって、電子線型加速器11から単
パルスの大電流を入射する方法が有効となる。

電子線型加速器11によって数MeV〜数十MeVまで加速され
た電子はビームトランスポート12を経由して電子蓄積リ
ング13に入射される。このとき電子蓄積リング13の超電
導偏向磁石15a,15bおよび多極電磁石16a〜16dには、入
射電子が平衡軌道の回りをベータトロン振動しながら周
回するのに必要な磁場を発生させておく。入射が完了し
た後、電子のエネルギーを最終エネルギーまで高めてい
くため、超電導空心コイル21a,21bに印加する励磁電流
のさらに増大させていく。

上記励磁電流の増加のさせ方は、従来は第４図（ａ）の
ごとく単純にランプ上に増加させ、最終エネルギーに達
したところで一定値に保持する方法がとられていた。し
かしこの方法では、変曲点に該当するタイミングのとこ
ろで、電子の損失が顕著にみられることが知られてい
る。このため本実施例においては、第４図（ｂ）のごと
く励磁電流を印加する。励磁電流を増大させていくに際
しては、前述のタウシェク効果による電子寿命を配慮
し、電子寿命が極小となるエネルギーEtを速やかに通過
させることが重要である。しかしながら、エネルギーの
時間的な増加率を課題にとると電子の損失が増大する傾
向にある。さらに電子エネルギーが高い領域でエネルギ
ーの増加率を大くとるためには、高負荷に耐えうる電源
が必要となり、必然的に電源コストの増大をまねく。そ
こで第４図（ｂ）に示すごとく、入射エネルギーからエ
ネルギーEt近傍40までは励磁電流の時間変化率を単調増
大とする。エネルギーEt近傍40を過ぎて、クーロン散乱
に起因した電子の寿命が増加傾向となり始めるエネルギ
ーまで加速すると、こんどは励磁電流の時間変化率が単
調減少となるように切り換える。これにより、電子寿命
が極小となるエネルギーEt近傍40でのエネルギー増加率
を大きくとり、かつ、電源負荷の大きい高エネルギー領
域でのエネルギー増加率を漸次減少傾向にもっていくこ
とができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、タウシェク効果に起因し
て電子の寿命を極小とするエネルギーよりも低いエネル
ギーの電子を入射するようにし、偏向作用を持たせる磁
場を形成するための励磁電流の時間変化率を単調増加さ
せたのち単調減少させることにより、次に示す効果を有
する。

入射用加速器として電子線型加速器を用いることによ
り、単パルス発振で大電流を電子蓄積リングに入射でき
る。また加速時に超電導コイルに流す励磁電流の立ち上
げ方は、タウシェク効果による電子寿命を極小とするエ
ネルギーEt近傍を境とし、エネルギーEt近傍までのエネ
ルギーの時間的な変化率は単調増大としエネルギーEt近
傍を上回るエネルギー領域での変化率は単調減少とすれ
ば、加速時の電子の損失を僅少に抑えることができる。
これにより、電子蓄積リングには大電流を蓄積すること
が可能となる。

電子線立加速器の入射エネルギーとして、クーロン散
乱によって寿命が最低となるエネルギーを避けて数MeV
〜数十MeVに設定すれば、電子線型加速器自体も小型化
を図ることができる。このため、全体システムを通常の
実験室スペースにコンパクトにおさめることができる。

電子線型加速器での電子の損失はきわめて大きく、速
失された電子は放射線発生の原因となり、しかもその線
量は電子のエネルギーに依存する。本発明の係わる電子
加速器においては、電子のエネルギーを数MeV〜数十MeV
と低くすれば、放射線遮蔽が簡便ですむ。放射線の発生
は電子線型加速器と電子蓄積リングの双方に該当する問
題であるが、本発明に係わる電子加速器においては装置
全体の小型化を図ることができ、従来装置のような大掛
かりな放射線遮蔽を必要としない。

本発明に係わる電子加速器は上記のような効果を有する
ので、たとえば通常のクリーンルームに設置して大電流
を蓄積することが必要なSORリソグラフィ等の用途に用
いれば、きわめて大きな効果を期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる電子加速器の一実施例を示す構
成図、第２図は偏向磁石として用いた超電導磁石の構成
を説明するための説明図、第３図はクーロン散乱に起因
する電子の寿命とエネルギーの相関関係を示す特性図、
第４図は超電導コイルに流す励磁電流の立ち上げ方を示
す特性図、第５図は従来の電子加速器を示す構成図であ
る。 11……電子線型加速器、12……ビームトランスポート、
13……電子蓄積リング、14……インフレクタ、15a,15b
……超電導偏向磁石、16a〜16d……多極電磁石、17……
ビームダクト、18……高周波加速空洞、19……分布型イ
オンポンプ、21a,21b……超電導空心コイル、22……電
子軌道、ｅ……電子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柴山 昭則 神奈川県厚木市森の里若宮３番１号 日本 電信電話株式会社厚木電気通信研究所内 (72)発明者 早坂 東亜 神奈川県厚木市森の里若宮３番１号 日本 電信電話株式会社厚木電気通信研究所内 (56)参考文献 特開 昭50−49600（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−124100（ＪＰ，Ａ) 特公 昭44−18638（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】磁場の偏光作用によって平衡軌道を中心に
   電子がベータトロン振動しながら周回する電子加速器の
   励磁方法であって、 タウシェク効果に起因して電子の寿命を極小とするエネ
   ルギーEtよりも低いエネルギーの電子を前記電子加速器
   に入射し、 前記磁場を形成するための励磁電流の時間変化率を、前
   記電子のエネルギーが前記Etに達するまでは単調増加さ
   せ、前記電子のエネルギーが前記Etに達したのちは単調
   減少させるようにした ことを特徴とする電子加速器の励磁方法。